(57)【要約】【課題】  高周波信号を制御するために微小な機械スイッチにおいて、セルフアクチュエーションやラッチング現象を抑制できるスイッチ構造があったが、高速で機械的なスイッチ動作を繰り返すため、動作中にスイッチの導通または遮断が安定して繰り返されない場合があり、動作安定性の点で課題があった。【解決手段】  本発明の高周波信号用スイッチは、可動構造体の厚さは支持脚の厚さより厚く、かつ可動構造体の最大の部分と最小の部分の厚さの比が１.４以下であることを特徴とし、可動部分の変形を防止している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板に設けられた凹部上方に支持脚で保持され、接点と第１吸引電極とを含んだ可動構造体と、該可動構造体に対向配置された信号線及び接地線を有する伝送線路とを備え、前記可動構造体の厚さは前記支持脚の厚さより厚く、かつ前記可動構造体の厚さは最大の部分と最小の部分の比が１.４以下であり、前記可動構造体と前記伝送線路との間で静電引力を発生させることによりこれらを接触状態とし得る高周波信号用スイッチ。
【請求項２】
支持脚と可動構造体の接合部分において、前記支持脚の厚さから前記可動構造体の厚さへ漸増する遷移部を有する請求項1に記載の高周波信号用スイッチ。
【請求項３】
伝送線路とは反対側に可動構造体と間隔を介して対向配置された第２吸引電極を有した請求項1に記載の高周波信号用スイッチ。
【請求項４】
接点と信号線とが対向する側の少なくとも一方の表面に絶縁膜を形成した請求項1に記載の高周波信号用スイッチ。
【請求項５】
接地線と第１吸引電極とが対向する側の少なくとも一方の表面に絶縁膜を形成した請求項1に記載の高周波信号用スイッチ。
【請求項６】
接地線と第２吸引電極とが対向する側の少なくとも一方の表面に絶縁膜を形成した請求項２に記載の高周波信号用スイッチ。
【請求項７】
接点及び第１吸引電極の上面及び下面が絶縁膜で覆われた可動構造体を有する請求項1に記載の高周波信号用スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波信号に用いるスイッチの構造に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
高周波用の伝送線路において、高周波信号を制御するために微小な機械スイッチが使用されている。例えば特許文献１には、キャパシタを構成する電極板を静電駆動によって移動させ、これによってインピーダンス値を変化させ、高周波信号の伝送特性を変化させるスイッチが開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
上述した従来の高周波信号に用いるスイッチには、スイッチの形態としてシリーズ型、シャント型スイッチと呼ばれるスイッチがある。シリーズ型においては、信号線があらかじめ分断された形状になっており、接点がこの分断点を繋ぐか或いは開くかで高周波信号の導通又は遮断を切換えている。一方、シャント型では、接地電位に保たれた接点を高周波信号が流れている信号線に近接させると、信号線はシャントすることになり、高周波信号が信号線から接点に流れ込むことになる。すなわち、高周波信号を遮断することができる。シリーズ型、シャント型いずれの方式でも接点を信号線路のある特定の箇所に近接させる機構をもっている。例えば、接点を近接させる機構としては、上述のような接点が可動する方式や、逆に信号線路が可動して固定された接点に移動する方式がある。その他、信号線および接点両方とも可動する構成の方式が知られている。スイッチ等を可動させる駆動力としては、電磁力を用いる方法や静電力を用いる方法が用いられている。
【０００４】
従来の高周波用の微小な機械式のスイッチにおいては、信号線と接点との間の静電力のため、セルフアクチュエーションやラッチングが起こることが知られており（係る現象の説明については後述する。）、この現象のためスイッチ動作が不安定になることがあった。また、高速で機械的なスイッチ動作を繰り返すため、動作中にスイッチの導通または遮断が安定して繰り返されない場合があり、動作安定性の点で課題があった。
【０００５】
次に、セルフアクチュエーション現象について説明する。シャント型スイッチにおいては、高い電圧の高周波電力が信号線に印加された場合に、条件によっては駆動力を与えなくても自己的に接点側に吸引される現象が生じる。係る現象をセルフアクチュエーションと呼んでいる。この現象の原因として、接地された接点と高周波信号が印加されている信号線との間には高い電圧差が生じるので、その結果として吸引力が発生する為だといわれている。すなわち、電圧の大きい高周波信号ほど大きい電圧差となり、静電的な吸引力が大きくなるため、信号線と接点が自己的に吸引される。
【０００６】
また、スイッチが高周波信号を遮断しているときは、スイッチの接点は信号線に近接している状態であるが、この状態からスイッチの接点を信号線から引き離すために、スイッチの駆動電圧を操作してもスイッチが復元しない現象が発生する。これをラッチングと呼んでいる。これらの現象は共に、高周波用微小機械式スイッチの動作を制御する上では好ましくない現象である。
【０００７】
従来の高周波用微小機械式スイッチは、スイッチの構造に機械的な剛性を持たせて、剛性の復元力により静電的な吸引力に対抗するよう設計される。例えば特許文献１に示された構造が係る構造である。図２３中の（ａ）及び（ｂ）は、特許文献１中において示されているスイッチの導通時と遮断時の状態を示す断面構造である（なお、同文献中では、FIG.４bとFIG.４dに対応する。）。しかしながら、正常な動作として接点を可動させる場合においても、この機械的な剛性は抗力として作用するので、スイッチを正常駆動するための駆動力としては大きな静電力（大きな駆動電圧）を必要とする。
【０００８】
そこで、これらの現象に対処する従来の対処手段としては、例えば、非特許文献１に示されている形態（図２４に示す）がある。図２４において、セルフアクチュエーション等を引き起こさせる静電力とは反対の方向に別の静電力を発生させる電極（図２４中の上部電極１２、同文献中ではTop Electrodeと表記されている。）を備える構造が提案されている。すなわち、上部電極１２にも所定の電圧を印加することで、スイッチの接点を内蔵した可動構造２３と上部電極１２との間に適度な静電力（すなわち吸引力）を発生させ、セルフアクチュエーションを防いでいる。また、ラッチングが発生する場合にも、上部電極１２によりスイッチの接点を吸引することで、機械的な剛性による復元力を補助し、ラッチング現象を回避することが可能としている。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５６１９０６１号明細書
【非特許文献１】ディミトリオス ぺロウリ（Dimitrios Perouli）他著  「マイクロ波理論および技術」IEEE論文集（IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES）、第52巻、No.1、2004年1月、P59-68
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述のように対処しても従来の構成はスイッチ動作の安定性の点では十分といえなかった。
【００１１】
本発明は、係る課題に対し、動作安定性が優れたスイッチであり、かつセルフアクチュエーションやラッチング現象を抑制できるスイッチ構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の高周波信号用スイッチは、基板に凹部を設け、その凹部上方に支持脚で保持された可動構造体を設置した。可動構造体には、接点と第１吸引電極とを含んでいる。また、可動構造体と間隔を介して伝送線路が対向配置され、その伝送線路は信号線及び接地線を有する。可動構造体と伝送線路との間で静電引力を発生させ、これらを接触させることによりスイッチ動作をおこなわせる高周波信号用スイッチであり、可動構造体の厚さは支持脚の厚さより厚く、かつ可動構造体の最大の部分と最小の部分の厚さの比が１.４以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、動作安定性が優れたスイッチであり、かつセルフアクチュエーションやラッチング現象が生じ難い高周波信号用スイッチが得られるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本願発明者は、従来の構成のスイッチの信頼性を研究するために行った試験の結果、スイッチの導通・遮断動作を繰り返す中で、スイッチが高周波信号を十分に遮断できない現象が発生していることを発見した。まず、この課題について説明する。
【００１５】
本願発明者は、スイッチの信頼性を研究するために行った試験のなかで、スイッチの伝送線路特性がばらつく現象があることを発見した。かかる現象を説明するために、特許文献１中に示されたスイッチの断面構造をもとに説明する。図２３中の(ａ)において、基板上に信号線１４と接地線１５とからなる信号線路が配置され、その上に空間を介して接点１３と吸引電極１１から構成される可動構造体２３が配置されている。この状態は、信号線に高周波信号が流れている状態、すなわち導通状態である。次に、図２３中の(ｂ)は、信号線１４に接点１３を近接させ信号線１４をシャントした状態である。すなわち、高周波信号は、信号線１４から接地電位に保たれた接点１３に流れ込むことになるので、高周波信号を遮断することができる。なお、接点１３を近接させる機構としては、接地線１５と吸引電極１１との間に静電力を発生させ、可動構造体２３を信号線路側へ移動させるものである。
【００１６】
スイッチの伝送線路特性がばらつく現象について、図２３を用いて説明する。この現象について、本願発明者が詳細に検討した結果、スイッチを閉じているときに接点が異常な形で信号線１４に吸引される場合があるため、高周波信号の一部が入力側に反射され、伝送線路特性がばらつくことが判明した。スイッチの接点１３を接地線１５に移動させるときは、接点１３は水平を保ったまま接地線１５に近接すると考えられていたが、実際は、接点１３部分は傾いて接地線１５に近接する場合があった。すなわち、図２３中の(ｂ)に示す状態でスイッチの遮断動作がなされていると思われていたが、実際は図２３中の(ｃ)で示す形状になっており、スイッチの接点１３が信号線１４に吸引された状態（図２３(ｃ)の状態）では接点１３が正しく伝送線路に近接していない為に信号線１４が正常に接地されないという結論に達した。
【００１７】
上述した伝送線路特性がばらつく動作不良（以下、説明の便宜のため単に、動作不良という）は、高周波通信用途では数％以下に低減することが望ましい。現状の通信での誤り訂正技術の限界点から、係る動作の不良率は数％以下に低減することが望ましいからである。
【００１８】
従来のシャント型スイッチは、非特許文献１に示されたような構成によってセルフアクチュエーション、ラッチングと呼ばれる現象を回避することを試みてきた。しかしながら、従来のシャント型スイッチは、スイッチ動作が安定しないという残存する課題があった。これについて本願発明者が詳細に検討した結果、図２３(ｃ)で示す形状に吸引されていることが判明し、吸引電極とスイッチの接点１３との連結部分が変形するためスイッチ動作が安定しないことがわかった。
以下に、動作安定性が優れ、かつセルフアクチュエーションやラッチング現象を抑制できるスイッチ構造について具体例をあげて説明する。
【００１９】
実施の形態１
本発明の実施の形態１における高周波用微小機械式スイッチは、高周波用のスイッチの中でも、シャント型スイッチと呼ばれるものに関するものである。以下順を追って説明する。
【００２０】
本発明の高周波用スイッチの実施の形態１を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるスイッチの斜視図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ断面線に沿った断面図である。図３は、図１中に配置されているスイッチの中心部を部分的に拡大した平面図であって、説明のために接点１３に係わる部分の電極等を透視したものである。
【００２１】
図１において、実施の形態１のスイッチは、可動構造体２３と、可動構造体２３と基板２０とを連結する支持部２２と、これらの下の基板２０側に設けられた凹部２１と、凹部２１の底に配置されたコプレナー形式の伝送路を成す信号線１４および接地線１５とから構成されている。また、可動構造体２３は吸引電極と接点１３とを絶縁膜３０中に含んだ形状で構成されている。また、可動構造体２３内部に配置された吸引電極と接点１３の配置状態が図２に示す可動構造体２３の断面に示されている。また、図３には、第１吸引電極１１と接点１３の平面的な配置状態が示されている。可動構造体２３の中央には、接地線１５と信号線１４を交流的に結線するための接点１３が配置されている。また、接点１３の両側には、第１吸引電極１１が配置されている。
【００２２】
図２において、第１吸引電極１１の直下には接地線１５が配置されており、これらは可動構造体２３を静電力によって移動させるアクチュエーターを構成している。また、接点１３の直下には信号線１４が配置されており、接点１３と信号線１４が近接したときに信号線１４はシャントされる。次に、図２中の（ａ）に示した丸囲みについて説明する。丸囲みは、支持部２２の厚さから可動構造体２３の厚さへ徐々に漸増する領域であり、この領域を遷移部２６ということにする。図２中に、係る部分の拡大図を示した。また、遷移部２６の厚さが可動構造体２３へ向かって漸増する場合の遷移部２６の表面と支持部２２の表面とがなす角をθと規定し、遷移部２６の厚さの変化率をθによって規定することとする。従って、θが鈍角の場合は、厚さの変化は緩やかな場合である。
【００２３】
ここで、可動構造体２３の特徴的部分について図２を用いて説明する。いま、可動構造体２３の最も厚い部分の厚さをＴＥ、最も薄い部分の厚さをＴＣ、支持部２２の厚さをＴＢとする。実施の形態１においては、ＴＢ＜ＴＥ＜1.4ＴＣの関係にある厚さを特徴としている。係る厚さの構成によって奏される効果については追って詳細に説明するが、このような構成にすることにより、可動構造体２３は剛性が維持されて変形しないが、支持部２２のみは静電力で引っ張られたときには変形するようになる。
【００２４】
次に、スイッチの動作について説明する。ここで、第１吸引電極１１に電圧を印加すると接地線１５との間に静電力が発生し、所定の電圧以上では可動構造体２３が吸引される機構となっている。図４にスイッチの回路の結線状態を示す。第１吸引電極１１にはスイッチの開閉のための電圧が印加される。係る電圧が第１吸引電極１１と接地線１５との間に印加されると静電力が発生し、矢印で示される方向に第１吸引電極１１は接地線１５へ吸引される。このとき、スイッチの接点１３と信号線１４路が接触し、信号線１４はシャントすることになり、高周波信号が信号線１４から接地電位に保たれた接点１３に流れ込むことになる。すなわち、高周波信号を遮断することができる。また、第１吸引電極１１に印加していた電圧を切った場合は、支持部２２の剛性によって元の状態に復元し、高周波信号が信号線１４を導通する状態に戻る。
【００２５】
次に、本発明の実施の形態１の効果について説明する。先に述べたスイッチの動作不良率について、可動構造体２３の厚さ寸法との相関を説明する。表１に、試験した可動構造体２３の寸法、動作不良率等の試験結果の一覧表を示す。表１において、第１吸引電極１１が形成されている領域の厚さをＴＥ、第１吸引電極１１と接点１３との間の領域の厚さをＴＣとしている。表１に示されているように、供試体Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３では動作不良率が１０％以上と大きく問題があった。しかしながら、ＴＥとＴＣを調節することで、動作不良率を低減することが可能となった。具体的には、供試体Ｓ4，Ｓ5、Ｓ6の場合である。図５は、動作不良率とＴＥ/ＴＣ比（＝ＴＥ÷ＴＣ）の値との相関を示す図である。すなわち、(ＴＥ/ＴＣ)＜1.4の値で不良率の劇的な低減が可能であることを見出した。可動構造体２３の厚さ寸法がＴＢ＜ＴＥ＜1.4ＴＣの関係にある範囲では動作不良率が急激に改善され動作不良率をほぼ０にできることを導き出した。係る実施の形態１によれば、動作安定性に優れたスイッチを得る事ができるのである。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
実施の形態１おける上述の効果は、可動構造体薄肉部２５の剛性が可動構造体厚肉部２４の剛性に近づくので可動構造体薄肉部２５の変形が抑えられるためである。このような構成にすることにより、可動構造体２３は剛性が維持されて変形しないが、支持部２２のみは静電力で引っ張られたときには変形するようになる。すなわち、図２４（ｂ）に示した片方の吸引電極のみが接地線１５に引き寄せられる現象を低減できるのである。本実施の形態1では、構造の一部分に変形が集中することが生じ難いので、設計強度上の強度を得やすくなる。そのため、セルフアクチュエーションやラッチング現象に対処するための構造設計がしやすい高周波用スイッチが得られる。
【００２８】
また、表１に示した供試体Ｓ7、Ｓ8、Ｓ9、Ｓ10の結果からわかるように、スイッチのその他の寸法、例えば支持部２２の幅（ＬＢ）、第１吸引電極１１と接点１３との間隔（ＷＣ）、ＴＢを変化させてもＴＥ＜1.4ＴＣであれば不良率はほぼ０に近いことがわかった。すなわち、スイッチの平面的な形状に強く依存せず、厚さ方向の形状を上述の関係に設計すれば、動作が安定したスイッチの作製が可能となる。
【００２９】
次に、本実施の形態１のスイッチの製造方法を図６を用いて説明する。図６で示したのは、図１中に示したＡ−Ａ断面に着目したスイッチの断面構造であり、（ａ）から（ｇ）の工程順にスイッチが出来上がっていく様子を示したものである。
【００３０】
基板２０としてシリコン単結晶基板を用いると加工性の点で優れているので、これを用いた例で説明する。図６中の(ａ)において、基板２０に凹部２１を形成し図６中の(ｂ)に示した断面形状を得る。例えば、面方位（１００）のシリコンの基板２０を用い、基板２０の表面に熱酸化シリコン膜で予め被覆しておく。次に凹部２１の形成方法は、基板２０上にいったん形成した酸化膜をリソグラフィー技術によって所定のパターンを作成し、エッチングに対するマスクとする。次に、ＫＯＨなどのアルカリ溶液に基板２０を浸漬するとシリコンが露出した箇所のみシリコンがエッチングされ、所望の形状で凹部２１が形成できる。凹部２１の深さは特に制限はないが、プロセスの容易性から深さ５μｍから１０μｍ程度が良い。凹部２１の大きさは３００μｍ角がスイッチとして好ましい。
【００３１】
次に、凹部２１の底面に信号線１４および接地線１５を信号線１４の両脇に配置する。係る形態を図６中の(c)に示す。この伝送線路の配置形態は、一般に高周波を伝送するための形態のひとつであるコプレナー線路と呼ばれているものである。なお、その他の伝送線路の配置形態として、凹部２１底面に信号線１４を配置し、基板２０の裏面側に接地線１５を配置した場合も伝送線路として機能させることが可能である。次に、信号線１４および接地線１５の材質としては金属でよいが、特性上損失を小さくする上で銅もしくは金が望ましい。信号線１４および接地線１５の形成方法は、スパッタや電気メッキで成膜後、リソグラフィー技術によりパターニングし、エッチングをおこなうことで所望のパターンを形成できる。なお、信号線１４を保護するために、信号線１４上に絶縁膜３０を形成する必要がある場合は、信号線１４がパターニングされた後に、絶縁膜３０を成膜し、リソグラフィー技術によりパターニングし、所望の形状の絶縁膜３０を得ることが可能である。絶縁膜３０の種類としては酸化シリコン膜や、窒化シリコン膜が望ましい。
【００３２】
次に、第一犠牲層を図６中の(ｄ)に示したような形状に形成し、基板２０に形成した凹部２１を埋めもどす。第一犠牲層の形成方法としては、リソグラフィー技術などで使用される液体性樹脂、例えば感光性のノボラック系ポジレジストをスピンコートでいったん塗布する。塗布後は凹部２１がある影響で凹凸が表面に存在するがＣＭＰ（chemical mechanical polishing）により平坦化をおこなう。このようにして、図６(ｄ)の形状が得られる。
【００３３】
次に、第一犠牲層の上に金属膜をスパッタ法で成膜し、所定の領域のみ残すようにエッチングをおこなうことで第１吸引電極１１および接点１３を形成する。金属膜は、例えばクロムと金との積層膜が好ましい。クロムは、厚さ０．１μｍ、金は、厚さ０．２μｍ程度が良い。リソグラフィー技術および、エッチング液による加工あるいは反応性ガスによるプラズマでエッチングすることができ、所定の領域のみクロム金積層膜を残す。また、金属膜に銅を用いた場合は、亜硫酸ナトリウムを含む液でエッチングが可能である。第１吸引電極１１の大きさは、例えば、５μｍ×６０μｍ、接点１３の大きさとして６０μｍ×５μｍの大きさにする。接点１３は信号線１４の直上に配置し、また、第１吸引電極１１と接点１３との間隔は４０μｍとした配置が良い。これにより図６(ｅ)に示す形状が得られる。
【００３４】
次に、可動構造体２３及び支持部２２の一部となる絶縁膜３０を形成する。絶縁膜３０の種類としては酸化シリコンや窒化シリコン膜が良い。スパッタ法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により薄膜を成膜し、ＲＩＥ（Reactive Ion etching）により所定の領域のみ残すようにエッチングをおこなうことで可動構造体２３及び支持部２２が一体となった構造を形成する。成膜する絶縁膜３０の厚さは１μｍ程度で良い。絶縁膜３０の内部応力としては、引っ張り応力であることがスイッチの形状安定性の点から望ましい。最終的に可動構造体２３が基板２０から浮いた形で保持されるので、引っ張り応力とすれば、可動構造体２３が撓むことがないからである。
【００３５】
次に、図６中の(ｅ)で示した形状の上に絶縁膜３０をスパッタ法で成膜する。絶縁膜３０をエッチングする方法は、例えばエッチング溶液や反応性ガスによるプラズマでエッチングできる。例えば、酸化シリコン膜を用いた場合はフッ酸水溶液でエッチング可能である。所定の領域のみエッチングするにはリソグラフィー技術で所定の領域のみマスクを形成することで達成できる。
【００３６】
可動構造体２３の厚さの調整は、絶縁膜３０の厚さおよび金属膜の厚さを成膜段階で調整することで達成できる。例えば、金属膜厚さを0.2μm、絶縁膜３０を1.0μm厚さとする。この場合は、ＴＢ＝ＴＣ＝1.0μm、ＴＥ＝1.2μmとなり、ＴＢ＜ＴＥ＜1.4ＴＣの範囲を満たすスイッチが形成できる。上述ようにして、図６中の(ｅ)で示した形状を得ることができる。なお、可動構造体の厚肉部分の厚さ(ＴＥ)が上記の数値範囲に入らないような場合は、適宜ＣＭＰにより薄肉化をおこなうことも可能である。
【００３７】
ここで、可動構造体２３の厚さの調整をおこなう理由について補足する。前述したように、従来の高周波用微小機械式スイッチは、スイッチの支持部に機械的な剛性を持たせて、剛性の復元力と吸引電極にかかる静電的な吸引力とによってスイッチ動作をおこなっている。そのため、支持部の厚さ寸法は、機械的剛性を考慮して設計される。一方、可動構造体中には金属膜等からなる吸引電極、接点が内蔵されているため、可動構造体の厚肉部分の厚さは、これらの厚さも加算されることとなる。したがって、可動構造体に変形がありうることを考慮せずに支持部の厚さのみを考慮する構造設計では、可動構造体の薄肉部の強度については手当てされていない。そのため、スイッチの安定動作に支障が生じることとなる。本実施の形態１では、可動構造体の薄肉部の強度を保つために厚さの調整をおこなうのである。
【００３８】
最後に第一犠牲層を除去することで可動構造体２３が、支持部２２によって基板２０から支えられた構造が出来上がる。第一犠牲層の除去方法としては、アセトン溶液による除去や酸素プラズマによる除去がある。図６中の(ｇ)に工程完了後の状態を示す。
【００３９】
実施の形態１のスイッチにおいては、可動構造体２３と支持部２２とからなる可動部分の構造について、支持部２２の厚さから可動構造体２３の厚さへ徐々に漸増する領域（遷移部２６）を設けることができる。図２中の（ａ）の丸囲みに、この遷移部２６を示した。
【００４０】
ここで、上述した遷移部２６を設ける利点について説明する。実施の形態１に示した例は、スイッチ動作時に可動構造体２３の変形は抑えるものの、支持部２２は変形させてスイッチ動作をおこなう構造である。そのため、可動構造体２３と支持部２２の境界近辺には、変形時に応力集中が起こる。そこで、可動構造体２３の周囲に遷移部２６を設け、遷移部２６の厚さが可動構造体２３へ向かって漸増するようにしたので、応力集中を緩和することができる。このため、機械的信頼性の優れたスイッチが達成できる。
【００４１】
つぎに、この遷移部２６に関する形成方法を説明する。上述の図６中の(ｅ)で示した形状の上に絶縁膜３０をスパッタ法で成膜した直後では、絶縁膜３０の断面形状は下地の形状をそのまま反映した形状である。つまり、下地である第１吸引電極１１の断面形状を反映した形になる。例えば、第１吸引電極１１の断面が矩形であるならば、その上に形成した絶縁膜３０の上面に現れる凹凸は角型に近い形状になる。そこで、絶縁膜３０を形成後に全面にイオンビームを斜めから照射して、角部分に若干のエッチングを施すことで遷移部２６の断面の厚さが漸増する形状が得られる。
【００４２】
上述の遷移部２６を有したスイッチの信頼性試験の結果を図７に示す。試験は、スイッチの導通状態と遮断状態を繰り返す動作をその供試体について繰り返し、動作不良を起こすまでの累積回数を調べたものである。図７の横軸は、その供試体について繰り返した動作回数、縦軸は動作の正常又は不良の結果である。試験した供試体は、θの範囲が８０度から９０度の範囲のものと、θの範囲が１１０度から１５０度の範囲のものとの２種類である。図７に示すように、遷移部２６が１１０度から１５０度の供試体では、８０度から９０度の範囲の供試体と比較して繰り返し耐性の点で有意差が認められ、繰り返し耐性の点で、遷移部２６を鈍角にした方が良いことが判明した。すなわち、遷移部２６を持つスイッチを１０９回以上繰り返し動作させても支持部２２の折れ、塑性変形は見られず、機械的に信頼性の保てるスイッチが実現可能であることがわかった。
【００４３】
実施の形態１によれば、可動構造体２３の最も厚い部分の厚さをＴＥ、最も薄い部分の厚さをＴＣ、支持部２２の厚さをＴＢとし、ＴＢ＜ＴＥ＜1.4ＴＣの関係にある厚さを構造の特徴としたので、可動構造体２３は剛性が維持されて変形しないが、支持部２２のみは静電力で引っ張られたときには変形するようになる。そのため、動作安定性が優れたスイッチであり、かつセルフアクチュエーションやラッチング現象が生じ難い高周波用スイッチを設計することが可能となる。また、可動構造体２３の周囲に遷移部２６を設け、遷移部２６の厚さが可動構造体２３へ向かって漸増するようにすれば、応力集中を緩和することができる。このため、機械的信頼性の優れたスイッチが達成できる。
【００４４】
上述した実施の形態１では、信号線１４の上に絶縁膜３０が無い形態であったが、図８に示すように、接点１３が接触する領域の信号線１４路上には絶縁膜３０を形成することも可能である。このような場合は、絶縁膜３０は抵抗成分になり、過大な短絡電流を防ぐ保護抵抗として機能する。このため、信頼性の優れたスイッチが達成できる。
【００４５】
また、上述した実施の形態１では、スイッチの形態としてシャント型の場合を説明したが、シリーズ型の場合にも適用可能である。すなわち、シリーズ型の場合には凹部２１内の信号線１４をあらかじめ分断した線路を形成し、接点１３が信号線１４路に接触すると分断された信号線１４路が連結される仕組みになっている場合は、接点１３が信号線１４路に接触した時に高周波信号が信号線１４路を流れる状態となる。このようなシリーズ型の構成において、接点１３を信号線１４路へ移動させた場合は、接点１３により分断された信号線１４路が接続されるので、この時のスイッチはシリーズ型のスイッチとして機能する。
【００４６】
実施の形態２
本発明の実施の形態２におけるスイッチについて説明する。
【００４７】
実施の形態１においては、可動構造体２３と支持部２２とが一体となった可動部分と、伝送線路が基板凹部に配置された構成について説明した。実施の形態２は、実施の形態１で示した構成に加えて、更に第２吸引電極１２を可動構造体２３の上に形成した場合の例である。本実施の形態２のスイッチが実施の形態１と異なる部分は、第２吸引電極１２が付加されていることであり、可動構造体２３と支持部２２とが一体となった構造と基板２０の凹部２１に配置された伝送線路の構成については実施の形態１と同様である。以下、本実施の形態２の要部である第２吸引電極１２を付加した構成および効果について説明する。
【００４８】
図９は、実施の形態２の例であるスイッチの断面形状を示した図である。
実施の形態１と同様に、可動構造体２３は剛性が維持されて変形しないが、支持部２２のみは静電力で引っ張られたときには変形するようになる構造である。また、可動構造体２３の周囲に遷移部２６を設けたので、スイッチ動作に伴う応力集中を緩和する機能がある。なお、実施の形態２では、信号線１４の表面には絶縁膜３０を形成し、信号線１４と接点１３との電気的短絡を防止するようにしているが、それ以外の伝送線路の構成は実施の形態１と同様である。本実施の形態２が実施の形態１と基本的に異なるのは、第２吸引電極１２を可動構造体２３の上に形成したことである。
【００４９】
本実施の形態２の特徴的な構成である第２吸引電極１２について説明する。第２吸引電極１２は、可動構造体２３中の第１吸引電極１１と基板２０に配置さらた接地線１５とを結ぶ線上に配置されている。また、第２吸引電極１２は、接点１３および第１吸引電極１１と対向して配置されている。そのため、第２吸引電極１２と第１吸引電極１１との間に発生する吸引力（静電力）の方向は、接地線１５と第１吸引電極１１との間に発生する吸引力（静電力）に対して１８０度違う方向に保つことができ、正確に吸引力を打ち消すことができる。また、これら２つの相反する方向の吸引力が一直線上にあるため、可動構造体２３にねじれ変形を起こす力が生じないので、可動構造体２３を信号線１４に対して平行に保った状態を維持することが容易となる。そのため、動作安定性が優れたスイッチを得る事ができる。
【００５０】
本実施の形態２のスイッチ作動について説明する。
【００５１】
実施の形態１で説明したのと同様に、第１吸引電極１１に電圧が印加されているときは、可動構造体２３が信号線１４に吸引されて、高周波信号を遮断することができる。また、第１吸引電極１１に印加していた電圧を切った場合は、支持部２２の剛性によって元の状態に戻り、高周波信号は信号線１４を導通する状態に戻る。図９に示した状態は、第１吸引電極１１に電圧が印加されていないときであり、支持部２２の剛性によって支持部２２は平面状になっている状態である。また、スイッチの接点１３は常時接地された状態になっている。このときは、信号線１４には高周波信号が流れている状態である。この状態では高周波信号は何の障害もなく信号線１４を流れる状態である。
【００５２】
次に、高周波信号を遮断する手順について説明する。最初に、第１吸引電極１１に電圧を印加することで、接地線１５と第１吸引電極１１との間に静電力による吸引力が発生する。これにより可動構造体２３が信号線１４側に吸引され、可動構造体２３の接点１３が信号線１４と信号線１４表面の絶縁膜３０を介して接触する。このときは、高周波信号は接地線１５に流れこむ状態となる。すなわち高周波信号は信号線１４を通過できなくなる。この状態を遮断状態ということにする。係る遮断状態を図１０に示す。また、高周波信号が信号線１４を流れる状態のときを導通状態ということにする。
【００５３】
ここで、第２吸引電極１２の役割について説明する。高周波電力が大きくなった状態では第１吸引電極１１に電圧を印加しなくても、接点１３が信号線１４に吸引される場合がある。これは前述したセルフアクチュエーションの現象である。これを防ぐには、接点１３に働くセルフアクチュエーションによる静電力とは反対の方向の静電力を作用させればよい。そこで、第２吸引電極１２に所定の電圧を印加し、高周波電力による吸引力を打ち消す方向に静電力を発生させる。第２吸引電極１２に印加する電圧値は、高周波電力や支持部２２のバネ定数などを考慮して決定される。
【００５４】
次に、実施の形態２がラッチング現象に対処できることを説明する。接点１３が吸引された状態から元の状態に戻る時、すなわち遮断状態から導通状態に遷移する際、可動構造体２３は平面の状態（図９に示す状態）に復元する。機械的な復元力としては支持部２２の剛性のみであるが、これのみでは復元しない状態がラッチングである。係る場合、本実施の形態２の構造では機械的な復元力に加えて第２吸引電極１２の静電力を利用する。第２吸引電極１２の静電力によって、機械的な復元力を補助して復元力を増大することが可能になり、ラッチングを解消することが可能となる。
【００５５】
本実施の形態２は、実施の形態１で示した構造に加えて、更に第２吸引電極１２を可動構造体２３の上に形成した場合の形態例である。本実施の形態２の製造方法については、実施の形態１の製造工程に続いて第２吸引電極１２の工程を付加することによりおこなう。以下、付加する工程について説明する。
【００５６】
図６(ｇ)において示されている構造の上に、第２犠牲層３４を形成する。この犠牲層の材質としては第１犠牲層３３と同一の材質でも良いし、金属膜でも良い。例えばニッケルなどの金属膜が最後の犠牲層選択エッチングの点で適している。これにより図６(ｇ)の形状が得られる。次に第２犠牲層３４上に第２吸引電極１２を形成する。金属であればなんでも良いが、抵抗率の観点から金が好ましい。スパッタ法やメッキ法により薄膜形成可能である。厚さは約５μm程度がよい。リソグラフィー技術により図６(ｇ)の形状が得られる。
【００５７】
最後に第１犠牲層３３および第２犠牲層３４を除去する。それぞれの犠牲層を溶解させる液に浸積することで除去する。例えば有機膜についてはアセトン溶液、ニッケルについては塩化第二鉄の溶液が溶解液として適している。この処理により図９の形状が得られ、本実施の形態２のスイッチが得られる。
【００５８】
本実施の形態２の構成によれば、第２吸引電極１２は、第１吸引電極１１と接地線１５とを結ぶ線上に配置されているので、可動構造体２３にねじれ変形を起こす力が生じない。そのため、可動構造体２３を信号線１４に対して平行に保った状態を維持することが容易となるので、動作安定性に優れたスイッチを得る事ができる。さらに、第２吸引電極１２の働きによってセルフアクチュエーションやラッチング現象が生じ難い高周波用スイッチを実現することが可能となる。また、信号線１４が基板２０に形成されているため、大電力の高周波信号が信号線１４に投入されても基板２０を通じた熱拡散が容易となり、大電力を扱えるスイッチ構成が可能になる。
【００５９】
実施の形態３
実施の形態２におけるスイッチの構成は、基板２０側に信号線１４があったが、本実施の形態３では、信号線１４は可動構造体２３の上方にあり、かつ第２吸引電極１２は基板２０側にある。以下、図面を参照しつつ説明する。図１１は、実施の形態２のスイッチの斜視図である。また、図１２はスイッチの中心部分を拡大して見た平面図である。図１３は、図１２中においてＢ-Ｂで示された断面に沿ってみた断面図である。図１４は、図１３中においてＣ-Ｃで示された断面に沿ってみた断面図である。
【００６０】
図１３において、基板２０に凹部２１が形成され凹部２１には第２吸引電極１２が配置されている。その上部には、凹部２１を跨ぐ形状で支持部２２によって基板２０から離間して保持されている可動構造体２３が形成されている。可動構造体２３には、絶縁膜３０中に接点１３および第の吸引電極を含んだ構成になっている。また、接点１３は常に電気的に接地されている。更に可動構造体２３の上部には、信号線１４および接地線１５が形成された構成である。可動構造体２３については、本実施の形態１で示したことと同様に、可動構造体２３の最も厚い部分の厚さをＴＥ、最も薄い部分の厚さをＴＣ、支持部２２の厚さをＴＢとし、ＴＢ＜ＴＥ＜1.4ＴＣの関係にある厚さを構造の特徴としている。また、可動構造体２３と支持部２２の境界の厚さが漸増する遷移部２６を有する。
【００６１】
図１５は、本実施の形態３のスイッチの電気的な接続図である。
図１５において、第１吸引電極１１と第２吸引電極１２はそれぞれ独立した電圧源により電圧が印加される。信号線１４には高周波信号が流れており、信号線１４の両脇には接地線１５が配置されている。この構成は、一般に知られるコプレナー線路の配置である。また、接点１３は常時接地された状態になっている。図１６は、接点１３が接地線１５にシャントされて、遮断時の状態である。また、図１３は、導通時の状態である。
【００６２】
実施の形態３の動作について図１３および図１６を用いて説明する。
【００６３】
まず、信号線１４に高周波信号が流れている状態について説明する。図１３に示す状態である。第１吸引電極１１に電圧は印加されておらず、したがって可動構造体２３は信号線１４に近接していないので、高周波信号は何の障害もなく信号線１４を流れる状態である。
【００６４】
次に、高周波信号を遮断する方法について図１６を用いて説明する。高周波信号を遮断するには、第１吸引電極１１に電圧を印加することで、接地線１５と第１吸引電極１１との間に静電力による吸引力が発生する。これによりスイッチが信号線１４側に吸引され、可動構造体２３中の接点１３が信号線１４と可動構造体２３の絶縁膜３０を介して接触する。なお、実施の形態１と異なり、可動構造体２３中は上方に移動し信号線１４に接触することになる。実施の形態１と同様に高周波信号は接地線１５に流れこむ状態となるため、高周波信号は信号線１４を通過できなくなる。すなわち、高周波信号は遮断される。
【００６５】
ここで、第２吸引電極１２の役割について説明する。本実施の形態２で説明した第２吸引電極１２と同様の効果があり、第２吸引電極１２は、第１吸引電極１１と接地線１５とを結ぶ線上に配置されているので、可動構造体２３にねじれ変形を起こす力が生じない。このため、可動構造体２３を信号線１４に対して平行に保った状態を維持することが容易となるので、動作安定性に優れたスイッチを得る事ができる。さらに、第２吸引電極１２の働きによってセルフアクチュエーションやラッチング現象が生じ難い高周波用スイッチが可能となる。
【００６６】
次に、本実施の形態３のスイッチの製造方法を説明する。図１７で示したのは、図１３に示したスイッチの断面構造であり、工程順にスイッチが出来上がっていく様子を示したものである。
【００６７】
まず、基板２０に凹部２１を形成する。凹部２１は、シリコン基板２０に深さ５μｍから１０μｍ程度であり、大きさは３００μｍ角程度である。実施の形態１と同様の手順で作成できる。この処理により図１７中で示した（ｂ）の形状が得られる。
【００６８】
次に、凹部２１の底面に第２吸引電極１２となる金属膜を形成する。金属の種類は何でもよいが、例えばクロム薄膜が基板２０との密着性の点で好ましい。厚さは０．１μｍ程度で十分である。電極形状の加工は、実施の形態１で述べたリソグラフィー技術によって加工することができる。第２吸引電極１２の大きさとして、例えば７０μｍ角程度の大きさであれば吸引電極として十分機能する。この処理により図１７中で示した（ｃ）の形状が得られる。
【００６９】
次に第１犠牲層３３を形成する。作成方法は、実施の形態１で述べたスピンコート、ＣＭＰ技術により図１７(d)に示す形状が得られる。
【００７０】
次に第１の吸引電極および接点１３を形成する。作成方法は、実施の形態１で述べた方法によって作成する。なお、接点１３は信号線１４の直下に相当する位置に配置するのが好ましい。これにより図１７(e)に示す形状が得られる。また、実施の形態１で述べた方法によって、吸引電極および接点１３の上に絶縁膜３０を積層し次に遷移部２６を形成する。
【００７１】
次に  第２の犠牲層を可動構造体２３上に形成する。この犠牲層の材質としては第１犠牲層３３と同一の材質でも良いし、金属膜でも良い。例えばニッケルなどの金属膜が最後の犠牲層選択エッチングの点で適している。これにより図１７(g)の形状が得られる。
【００７２】
次に第２犠牲層３４上に信号線１４および接地線１５を形成する。これら信号線等は導体であれば良いが、抵抗率の観点から材質は金が好ましい。また、これらはスパッタ法やメッキ法により薄膜形成可能である。薄膜の厚さは約５μm程度であれば信号線等として機能する。信号線１４の幅は６０μm程度、接地線１５の幅は６０μm、信号線１４と接地線１５との間隔は４０μmとした。これにより図１７(h)に示した形状が得られる。
【００７３】
最後に第１犠牲層３３および第２犠牲層３４を除去する。それぞれの犠牲層を溶解させる液に浸積することで除去する。例えば有機膜についてはアセトン溶液、ニッケルについては塩化第二鉄の溶液が溶解液として適している。この処理により図１７(i)の形状が得られ、本発明の実施の形態３のスイッチが完成する。
【００７４】
次に、実施の形態３のスイッチを実際に作製し、動作させた結果について説明する。図１８は、スイッチの遮断効果に対する周波数特性を示したものである。動作試験は、第１吸引電極１１に６０Ｖ印加して、高周波信号を遮断した場合と、第１吸引電極１１の電圧を０Ｖにし高周波信号を遮断しない試験を繰り返し行った。なお、第２吸引電極１２には０〜２０Ｖの範囲でＤＣ電圧を印加した。図１８は、高周波信号が信号線１４を通過するとき（すなわち導通状態）と通過しないとき（すなわち遮断状態）での信号の通過特性を表している。高い周波数の範囲においても導通時には低通過損失であり、遮断時には高アイソレーション特性を示した。また、高周波信号として電力１.６W程度までセルフアクチュエーションやラッチング現象がなくスイッチ動作することを確認した。すなわち、スイッチ動作の動作不良率は、ほぼ０％となった。
【００７５】
実施の形態３の構成によれば、第２吸引電極１２は、第１吸引電極１１と接地線１５とを結ぶ線上に配置されているので、可動構造体２３にねじれ変形を起こす力が生じない。そのため、可動構造体２３を信号線１４に対して平行に保った状態を維持することが容易となるので、動作安定性に優れたスイッチを得る事ができる。さらに、第２吸引電極１２の働きによってセルフアクチュエーションやラッチング現象が生じ難い高周波用スイッチを実現することが可能となる。
【００７６】
上述した実施の形態３において、第２吸引電極１２の表面に絶縁膜３０を形成してもよい。図１９に絶縁膜３０を形成した状態を示す。この場合は、接点１３が第２吸引電極１２に吸引されるまで吸引力を与えた場合でも接点１３と第２吸引電極１２が短絡しない為、接点１３および第２吸引電極１２を保護できる。第２吸引電極１２には数十Ｖの電圧が印加されているため、接地されている接点１３と短絡した場合は、接点１３に大電流が流れ焼損する可能性があるためである。
【００７７】
次に、第２吸引電極１２に絶縁膜３０を形成する場合の製造方法について説明する。絶縁膜３０部分の製造方法は、実施の形態３において図１７を用いて説明した工程を一部変更することにより可能である。図２０に示した断面模式図を用いて絶縁膜３０部分の製造を説明する。図２０中の(a)は図１７中で示した(c)の段階に相当する。すなわち凹部２１を形成した後、凹部２１底面に第２吸引電極１２を形成した後の状態である。この状態の次に絶縁膜３０を積層する。積層方法は、ＣＶＤ法によってシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などの絶縁膜３０を成膜し、パターニングし、凹部２１底面の第二の吸引電極上に絶縁膜３０を残す。この工程により図２０中の（ｂ）の形状が得られる。次に感光性樹脂を凹部２１に埋めて平坦化すると図２０中の（ｃ）の形状が得られる。その後のプロセスは実施の形態３で説明した図１７中の（e）以降の製造方法と同一であるので省略する。
【００７８】
実施の形態４
上述した実施の形態１〜３までの可動構造体２３と支持部２２の構成については、第１吸引電極１１及び接点１３の下面には絶縁膜３０が無かったが、図２１に示した可動構造体の断面構造のように接点１３および第１吸引電極１１を絶縁膜３０で挟み込んだ構成でもよい。この場合、第１吸引電極１１等の上下を絶縁膜３０で囲み込むことで、膜応力の相違によるスイッチ形状のたわみを最小限にすることが可能となる。
【００７９】
次に、第１吸引電極１１に絶縁膜３０を形成する場合の製造方法について説明する。製造方法は、実施の形態１で説明した工程を一部変更することにより行う。図２２は、スイッチの断面構造を工程順に出来上がっていく様子を示したものである。以下、図２２に示した断面模式図を用いて絶縁膜３０部分の製造を説明する。
【００８０】
図２２中の(ａ)は図１７中で示した(ｄ)の段階に相当する。すなわち凹部２１を形成した後に感光性樹脂を凹部２１に埋めた状態である。この状態の次に絶縁膜３０を形成する。ＣＶＤ法によってシリコン窒化膜などの絶縁膜３０を成膜し、パターニングし、絶縁膜３０を残す。パターニングはリソグラフィー技術を用いる。図２２中の（ｂ）は、この絶縁膜３０の工程後の断面図である。絶縁膜３０の種類としては窒化シリコン膜で厚さは1.0μｍ程度が良い。次に、吸引電極および接点１３となる金属膜を成膜しパターニングする。この吸引電極および接点１３が形成された状態が図２２中の（ｃ）に示す状態である。使用する金属膜の種類としては銅や金が好ましい。金属膜の膜厚は０.３μｍ程度が好ましい。次に、接点１３および第１吸引電極１１を形成した後に更に２層目の絶縁膜３０を再度成膜する。この状態が、図２２中の（ｄ）に示す状態である。絶縁膜３０は例えば窒化シリコン膜が適当である。厚さは０.５μｍ程度が好ましい。最後に絶縁膜３０をパターニングし、可動構造体２３と支持部２２とが一体となった形状を形成する。この状態が、図２２中の（ｅ）に示す状態である。この工程が終了した後は実施の形態１で述べた図６中の（ｇ）に示すような犠牲層除去の工程をおこなう事で実施の形態４で示したスイッチ構造を作成できる。上述の工程により可動構造体２３薄肉部の厚さは１.５μｍ、可動構造体２３薄肉部の厚さは１.８μｍ、支持部２２の厚さは０.５μｍとなるスイッチが作成できる。
【００８１】
上述のスイッチを動作させ、セルフアクチュエーションやラッチング現象がなくスイッチ動作することを確認した。すなわち、本実施の形態４においては、動作不良率がほぼ０％となるスイッチを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施の形態１で示したスイッチの斜視図である。
【図２】実施の形態１で示したスイッチの断面図である。
【図３】実施の形態１で示したスイッチ部の平面図である。
【図４】実施の形態１で示したスイッチの回路結線図である。
【図５】スイッチの動作不良率を示したグラフである。
【図６】実施の形態１のスイッチの製造方法を説明するための図である。
【図７】実施の形態１で示したスイッチ繰り返し動作の結果である。
【図８】実施の形態１で示したスイッチの別形態の断面図
【図９】実施の形態２で示したスイッチの導通時の断面図である。
【図１０】実施の形態２で示したスイッチの遮断時の断面図である。
【図１１】実施の形態３で示したスイッチの斜視図である。
【図１２】実施の形態３で示したスイッチの平面図である。
【図１３】実施の形態３で示したスイッチの断面図である。
【図１４】実施の形態３で示したスイッチの断面図である。
【図１５】実施の形態３で示したスイッチの電気的接続の模式図である。
【図１６】実施の形態３で示したスイッチの遮断時の断面図である。
【図１７】実施の形態３で示したスイッチの製造方法を説明するための図である。
【図１８】実施の形態３で示したスイッチの高周波信号通過特性のグラフである。
【図１９】実施の形態３で示したスイッチの別形態の断面図である。
【図２０】実施の形態３で示したスイッチの別形態の製造方法を説明するための図である。
【図２１】実施の形態４で示したスイッチの断面図である。
【図２２】実施の形態４で示したスイッチの製造方法を説明するための図である。
【図２３】従来の高周波用微小機械式スイッチの断面図である。
【図２４】従来の高周波用微小機械式スイッチの断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０：スイッチ    １１：第１吸引電極    １２：第２吸引電極    １３：接点
１４：信号線      １５：接地線          ２０：基板            ２１：凹部
２２：支持部      ２３：可動構造体      ２４：可動構造体厚肉部
２５：可動構造体薄肉部  ２６：遷移部    ３０：絶縁膜    ３３：第１犠牲層
３４：第２犠牲層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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